地铁牵引供电系统直流馈线保护技术探究

孟科 周非 苗建科 周天鸣 赵阳

摘 要：地铁直流牵引供电系统是地铁系统的重要组成，直流馈线保护技术是地铁直流牵引供电系统的核心。我国地铁牵引供电系统的研究起步晚，在快速的地铁发展中供电系统出现了许多问题，供电系统保护装置的可靠性在不同程度地下降。馈线保护技术是关系到直流牵引供电系统可靠性的关键因素，是保护地铁牵引供电系统正常运行的重要保障。

关键词：地铁；地铁牵引供电系统；直流馈线保护技术

中图分类号：U231 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）01-0148-02

Abstract： The direct current （DC） traction power supply system is an important part of subway system. DC feeder protection technology is the core of metro DC traction power supply system. The research of metro traction power supply system in our country started late， many problems appeared in the power supply system in the rapid development of subway， thus the reliability of the protection device of the power supply system declined in varying degrees. Feeder protection technology is a key factor related to the reliability of DC traction power supply system， so it is an important guarantee to protect the normal operation of subway traction power supply system.

Keywords： subway； subway traction power supply system； DC feeder protection technology

我国的城市轨道交通发展迅速，但整个城市轨道体系的相关配置并没有完善，会对轨道交通的正常运行造成干扰。地铁牵引供电系统可以为地铁提供牵引用电，而直流馈线保护系统可以保护供电系统的正常运行，是地铁牵引供电系统的关键部位，在城市地铁运行领域对直流馈线保护系统的研究和完善，对地铁牵引供电系统的运行有重要作用，有助于城市轨道交通减少故障，运行顺畅。

1 地铁牵引供电系统

（1）地铁供电系统。地铁运行过程中牵引供电系统的主要功能是保证地铁正常运行输送电能，地铁牵引供电系统中，直流供电系统由牵引变电站、架空接触网组成，由于与地铁直接相连，不易受到干扰且易于控制，在城市轨道交通中应用广泛。（2）地铁供电系统牵引短路故障。地铁牵引供电系统发生短路故障时，由于地铁启动造成的电流变化异常比发生短路故障的电流变化时间长，馈线故障所引起的短路电流和地铁启动时的过电流也会相应变化，并且呈指数函数形式。线路末端发生短路故障时，电流变化量要大于启动时的电流变化量[1]。当供电线路前端发生短路故障时，异常电流变化会更加明显，线路末端发生故障时，电流变化的最大值与地铁启动时的电流变化最大值相同，如果供电系统的馈线长度增加，线路末端发生短路故障时，短路电流变化率会减小。（3）供电保护系统。直流馈线保护技术中的直流断路器按照功能一般分为整流回路断路器和直流馈线断路器，整流回路断路器可以在整流器出现短路故障时及时切断电流，直流馈线断路器可以在供电线路出现故障时，断开故障区域的牵引网。地铁供电系统直流保护技术在运行时，不能忽略除短路故障外的其他故障，在疑似短路故障发生后，要同时检验是否存在其他故障原因。其次在地铁供电系统正常运行期间，地铁启动所引起的过电流在通过直流保护系统时容易造成误动作，对地铁正常运行造成不必要的干扰。直流保护工作系统可以确保在供电系统出现问题时及时消除故障。（4）直流馈线保护技术的特点。地铁启动时的电流变化率持续时间比短路电流变化率的持续时间长，可以作为减少误操作的区分因素。与地铁启动的瞬间电流量相比，短路电流量更高，铁路延长时电流量可能更低。相比负荷电流变化率，短路电流的变化率更高，并与地铁启动时的最高电流变化率一致，直流馈线延长时，故障电流的变化率要比负荷电流变化率更低[2]。（5）直流馈线保护技术的配置原则以及主要影响因素。牵引供电系统内的直流系统故障形式主要有短路故障、过负荷故障、过压故障等，最常见、危害最大的是短路故障，短路故障的发生与其短路点的位置和短路的性质有紧密的关系。直流短路系统保护装置要保证在系统发生短路故障时可以快速并且有选择地切断故障线路，在系统过负荷时发出警报，在故障消除后尽快恢复供电，减少对地铁供电和运行的干扰，尽可能地保证在可靠安全供电的前提下，配置力求简洁，避免配置过多，增加保护难度，也增加工程投资费用[3]。

直流馈线保护系统要考虑的影响因素包括：各系统之间的设备相互配合关系，可以保证在系统发生故障时能够及时切断故障区域。保证在地铁正常运行时，不会因为误跳闸影响地铁的正常运行，避免地铁在启动时受到冲击电流的影响。1500伏直流馈线的保护配置应保证在直流供电系统正常供电的情况下，在发生短路故障时可以快速跳闸。

2 地铁牵引供电系统直流馈线保护技术

（1）大电流脱扣保护。大电流脱扣保护是指线路前端出现短路故障，从而会引起较大的过电流，对供电系统设备造成破坏时，有效避免这种情况。在检测到短路电流高于动作电流时，大电流脱扣保护可以及时进行跳闸动作，动作异常灵敏。在出现近端短路故障时，必须保证在电流增量和电流上升率保护动作开始前进行跳闸。（2）定时过电流保护。定时过电流保护主要起到确保供电线路中小电流故障可以被及时清除的作用，清除故障时有一定的延时，因此制定整定值时有正负区分[4]。定时过电流保护是电流增量保护和电流上升率保护的后备措施，动作时间要控制在几十秒之内，在切除故障时具有一定的延时性。定时过电流保护作为大电流脱口保护和电流上升率保护的后备保护，可以在直流馈线短路电流值超过预先设定的最大电流值时，通过直流馈線断路器动作跳闸来清除故障。设定最大电流值时，可以分别反方向设定电流值，地铁运行过程中，变电所内直流馈线被用于直流供电时，线路发生故障，反向电流通过直流馈线断路器，可以检测并清除故障。（3）接触网过热负荷保护。在地铁运行高峰期会出现过电流，此时牵引网温度升高，会对供电系统造成破坏，设备损坏。接触网热过负荷保护就是要避免接触网过热所设置的保护，根据对供电系统状态的监测，并依据平时的经验，设定整定值，在温度超过整定值时，过热负荷保护就会启动跳闸。根据接触网的状态计算接触网的发热量，在根据热负荷和环境条件。计算出接触网的电缆温度。电缆温度在超出规定值时报警，并发出跳闸命令，从而保护接触网。由于接触网特有的热特性，保护装置的曲线要与接触线的曲线进行配合，并于馈线电流保护进行配合。（4）框架泄漏保护。在地铁供电系统中开关设备柜出现短路情况时，产生的电流就会对设备造成损坏，在工作人员接触开关设备柜时也会对工作人员造成安全威胁。由于设备与接地网直接连接，在设备出现特殊情况时会带来异常的接地电流，通过框架泄露保护对设备状态的实时监测，在接地电流超过设定的整定值时，框架泄露保护就会启动，开启电流保护动作。在系统正常运行时，没有检测到电流通过，而柜体发生损坏时，电流流入接地网，达到整定值，框架泄露保护动作，断路器和直流断路器跳闸。（5）双边连跳保护。双边连跳保护是指连接接触网的两个牵引变电站，在接触网发生故障时，其中一个变电站启动保护动作，另一个变电站收到保护动作命令，两个牵引变电站就会同时跳闸，减少故障带来的影响，并有效排除故障。在具体操作中，两个相邻的牵引变电所在同一时间向同一段接触网供电，在故障发生时，检测到动作信号，会向相邻的变电所发送直流开关跳闸信号，引发相邻变电所的直流开关跳闸。（6）自动重合闸。地铁牵引供电系统中出现的故障一般为瞬间故障，在启动保护装置切断故障区域后，要启动自动重合闸继续起到保护作用。在自动重合闸运作时，需要确保牵引网线路不存在故障，不然会造成断路器长时间切断，对系统造成破坏[6]。要设定自动重合闸启动次数超过限值时，将该部分确定为非瞬时性故障，不再启动自动重合闸。在自动重合闸运行过程中，若线路故障被诊断为永久性故障，要先将变电所重启，再开启重合闸。在手动分闸后，自动重合闸不会再动作。自动重合闸的动作次数超过预定次数时，合闸不成功，则为永久性故障，此时要闭锁重合闸回路。（7）电流增量保护与电流上升率保护。电流增量保护与电流上升率保护是直流馈线保护技术中的主要措施，在发生故障时，可以将近端短路电流切断，也可以做到大电流脱扣保护，短路故障切除能够有效避免电路中电流上升率保护的干扰问题。延时跳闸主要用于远端短路电流识别和调查。智能系统在正常工作中通过保护装置，实时监测电流上升率，在既定的时间内被保护锁定，则电流上升率保护动作进入延时阶段，电流上升率始终比保护设定值高，在启动保护动作时，电流上升率位置在设定值保护范围内，对电流增量进行计算，电流上升率始终高于保护设定的，电流总量也高于保护设定值，此时电流增量实施保护动作。（8）低电压保护。低电压保护主要用于地铁的正常工作电压保护，地铁运行所允许的最低工作电压时间要大于可能出现的故障造成的停电间隔，在地铁供电系统发生故障时可以成为其它管线保护的后备保护设备。（9）逆流保护。在整流器回路出口短路的电流通过时，逆流保护会瞬时启动，保护供电系统，由于引起逆流保护的断路器电流都很小，因此可按照小于断路器额定电流的一半进行逆流保护电流量的确定。（10）直流保护配合的验证。直流牵引供电系统保护技术的整定值可以通过计算确定，也可以通过直流短路试验，在通过计算得出整定值后，还要测验其能否配合地铁的正常运行。通过直流短路试验结果分析，最终才能确定保护的整定值。

3 结束语

地铁牵引供电系统的直流馈线保护技术的质量直接影响地铁运行的稳定性，对于地铁牵引供电系统，加强保护措施具有非常重要的意义，进一步完善直流馈线保护技术，可以有效保证地铁稳定供电，对地铁牵引供电系统的顺利运行有重要作用。相关技术人员要做好地铁牵引供电系统直流馈线保护技术的探索研究，对直流馈线保护技术以及核心技术措施进行分析总结，提高地铁牵引供电系统直流馈线保护技术的质量和水平。对于具有的直流馈线保护系统，要根据线路运行的实际情况和各种影响因素来设计保护方案。

参考文献：

[1]李菲.浅析地铁直流牵引供电系统馈线保护[J].通讯世界，2016（9）：217-218.

[2]祁恩禹.地铁直流牵引供电系统馈线的保护方法[J].工程技术：全文版，2016（11）：181.

[3]张厚宝.地铁直流牵引供电系统馈线保护方法及应用实践分析[J].科技展望，2017，27（4）.

[4]刘晶.地铁直流牵引供电系统馈线保护方法及应用实践分析[J].装饰装修天地，2017（24）.